Kecepatan suara di air laut. Bab IX Sifat Akustik Air Laut. Kecepatan suara
Air laut merupakan media akustik yang tidak homogen. Heterogenitas air laut terdiri dari perubahan kepadatan seiring kedalaman, adanya gelembung gas, partikel tersuspensi dan plankton di dalam air. Oleh karena itu penyebarannya Getaran akustik (suara) pada air laut merupakan fenomena kompleks yang bergantung pada sebaran densitas (suhu, salinitas, tekanan), kedalaman laut, sifat tanah, keadaan permukaan laut, kekeruhan air dengan pengotor tersuspensi. asal organik dan anorganik dan adanya gas terlarut.
Bunyi dalam arti luas adalah gerak osilasi partikel-partikel medium elastis, yang merambat dalam bentuk gelombang pada medium gas, cair, atau padat; dalam arti sempit, suatu fenomena yang dirasakan secara subyektif oleh alat indera khusus manusia dan hewan. Seseorang mendengar bunyi dengan frekuensi 16 Hz sampai 16-20×10 3 Hz . Konsep fisik bunyi mencakup bunyi yang terdengar dan tidak terdengar. Bunyi dengan frekuensi di bawah 16 Hz disebut infrasonik , di atas 20 ×10 3 Hz - USG ; getaran akustik frekuensi tertinggi berkisar antara 10 9 hingga 10 12 -10 13 Hz lihat hipersuara.
Perambatan bunyi dalam air melambangkan kompresi dan penghalusan air secara periodik searah dengan pergerakan gelombang bunyi. Kecepatan perpindahan gerak osilasi dari satu partikel air ke partikel air lainnya disebut kecepatan suara.
Rumus teori cepat rambat bunyi pada zat cair dan gas adalah: c = , dengan α adalah volume spesifik, γ = 
- perbandingan kapasitas panas air pada tekanan konstan c p dengan kapasitas panas air pada volume konstan c v, kira-kira sama dengan satu, k adalah koefisien kompresibilitas air laut yang sebenarnya.
Dengan meningkatnya suhu air, kecepatan suara meningkat baik karena peningkatan volume spesifik maupun karena penurunan koefisien kompresibilitas. Oleh karena itu, pengaruh suhu terhadap kecepatan bunyi paling besar dibandingkan faktor lainnya. Ketika salinitas air berubah, volume spesifik dan koefisien kompresibilitas juga berubah. Namun ada koreksi untuk kecepatan suara dari perubahan ini tanda-tanda yang berbeda. Oleh karena itu, pengaruh perubahan salinitas terhadap kecepatan suara lebih kecil dibandingkan pengaruh suhu.
Cepat rambat bunyi tidak bergantung pada kekuatan sumber bunyi.
Dengan menggunakan rumus teoritis, tabel telah disusun yang memungkinkan untuk menentukan kecepatan suara berdasarkan suhu dan salinitas air dan mengoreksi tekanannya. Namun rumus teoritisnya memberikan nilai cepat rambat bunyi yang berbeda dari rata-rata terukur sebesar ±4 m·s -1. Oleh karena itu, dalam prakteknya digunakan rumus-rumus empiris, yang paling luas adalah rumus-rumus tersebut Del Grosso dan W.Wilson, memastikan kesalahan paling sedikit.
Kesalahan cepat rambat bunyi yang dihitung dengan rumus Del Grosso tidak melebihi 0,5 m·s -1 untuk perairan dengan salinitas lebih dari 15‰ dan 0,8 m·s -1 untuk perairan dengan salinitas kurang dari 15 ‰.
Rumus Wilson, yang dikemukakannya pada tahun 1960, memberikan lebih banyak akurasi tinggi dibandingkan rumus Del Grosso. Itu dibangun berdasarkan prinsip membangun rumus Bjerknes untuk menghitung volume spesifik bersyarat di tempat dan memiliki bentuk:
c = 1449,14 + hal + δс t + δс s + δс langkah ,
dimana δс p adalah koreksi tekanan, δс t adalah koreksi suhu, δс s adalah koreksi salinitas dan δс stp adalah koreksi total untuk tekanan, suhu dan salinitas.
Kesalahan akar rata-rata kuadrat dalam menghitung cepat rambat bunyi menggunakan rumus Wilson adalah 0,3 m·s -1.
Pada tahun 1971, rumus lain diusulkan untuk menghitung kecepatan suara dari nilai terukur T, S dan P dan nilai koreksi yang sedikit berbeda:
c = 1449,30 + hal + δс t + δс s + δс langkah ,
Saat mengukur kedalaman dengan alat pengeras suara gema, kecepatan suara yang dirata-ratakan pada lapisan dihitung, yang disebut kecepatan suara vertikal. Itu ditentukan oleh rumus dengan stp 
,
dimana c i adalah kecepatan rata-rata bunyi pada suatu lapisan dengan ketebalan h i .
Cepat rambat bunyi di air laut pada suhu 13 0 C, tekanan 1 atm, dan salinitas 35‰ adalah 1494 m s -1; seperti yang telah ditunjukkan, ia meningkat seiring dengan meningkatnya suhu (3 ms -1 per 1 0 C), salinitas (1,3 ms -1 per 1 ‰) dan tekanan (0,016 ms -1 per 1 m kedalaman) . Kecepatannya kira-kira 4,5 kali kecepatan suara di atmosfer (334 ms-1). Kecepatan rata-rata suara di Samudra Dunia adalah sekitar 1500 m s -1, dan kisaran variabilitasnya adalah dari 1430 hingga 1540 m s -1 di permukaan laut dan dari 1570 hingga 1580 m s -1 pada kedalaman lebih dari 7 km.
Suara adalah salah satu komponen kehidupan kita, dan orang-orang mendengarnya di mana-mana. Untuk mempertimbangkan fenomena ini lebih detail, pertama-tama kita perlu memahami konsep itu sendiri. Untuk melakukan ini, Anda perlu membuka ensiklopedia, di mana tertulis bahwa “suara adalah gelombang elastis yang merambat di suatu media elastis dan menimbulkan getaran mekanis di dalamnya”. Berbicara lebih banyak dalam bahasa yang sederhana- Ini adalah getaran yang dapat didengar di lingkungan apa pun. Ciri-ciri utama bunyi bergantung pada jenis bunyinya. Pertama-tama, kecepatan perambatannya, misalnya di air, berbeda dengan lingkungan lain.
Setiap analogi suara memiliki sifat (ciri fisik) dan kualitas tertentu (refleksi dari ciri-ciri tersebut dalam sensasi manusia). Misalnya durasi-durasi, frekuensi-pitch, komposisi-timbre, dan sebagainya.
Kecepatan suara di air jauh lebih tinggi dibandingkan, katakanlah, di udara. Akibatnya, penyebarannya lebih cepat dan terdengar lebih jauh. Hal ini terjadi karena tingginya kepadatan molekul lingkungan perairan. Ini 800 kali lebih padat dari udara dan baja. Oleh karena itu, perambatan bunyi sangat bergantung pada mediumnya. Mari kita lihat angka-angka spesifiknya. Jadi, cepat rambat bunyi di air adalah 1430 m/s, dan di udara - 331,5 m/s.
Suara berfrekuensi rendah, misalnya suara yang dihasilkan oleh mesin kapal yang sedang berjalan, selalu terdengar lebih awal sebelum kapal muncul dalam jangkauan visual. Kecepatannya bergantung pada beberapa hal. Jika suhu air meningkat, maka secara alamiah kecepatan suara di dalam air meningkat. Hal yang sama terjadi dengan peningkatan salinitas dan tekanan air, yang meningkat seiring bertambahnya kedalaman air. Fenomena termoklin mempunyai peran khusus terhadap kecepatan. Di sinilah mereka bertemu suhu yang berbeda lapisan air.
Juga di tempat-tempat seperti itu berbeda (karena perbedaan kondisi suhu). Dan ketika gelombang suara melewati lapisan dengan kepadatan berbeda, gelombang tersebut hilang sebagian besar dari kekuatanmu. Ketika gelombang suara mengenai termoklin, gelombang tersebut dipantulkan sebagian, atau kadang seluruhnya (tingkat pantulan bergantung pada sudut jatuhnya suara), setelah itu zona bayangan terbentuk di sisi lain tempat ini. Jika kita perhatikan contoh ketika sumber suara terletak di perairan di atas termoklin, maka di bawahnya tidak hanya sulit, tetapi hampir tidak mungkin untuk mendengar apa pun.
Yang terdengar di atas permukaan, tidak pernah terdengar di dalam air itu sendiri. Dan sebaliknya bila berada di bawah lapisan air: diatasnya tidak berbunyi. Contoh mencolok dari hal ini adalah penyelam modern. Pendengaran mereka sangat berkurang karena pengaruh air, dan kecepatan suara yang tinggi di dalam air mengurangi kualitas penentuan arah pergerakannya. Hal ini menumpulkan kemampuan stereoponis untuk memahami suara.
Di bawah lapisan air, ia masuk ke telinga manusia terutama melalui tulang tengkorak kepala, dan bukan, seperti di atmosfer, melalui gendang telinga. Hasil dari proses ini adalah persepsinya oleh kedua telinga secara bersamaan. Saat ini, otak manusia belum mampu membedakan dari mana sinyal berasal dan berapa intensitasnya. Hasilnya adalah munculnya kesadaran bahwa suara tersebut seolah-olah menggelinding dari semua sisi secara bersamaan, meskipun tidak demikian.
Selain yang telah dijelaskan di atas, gelombang suara dalam air memiliki kualitas seperti penyerapan, divergensi, dan dispersi. Yang pertama adalah ketika kekuatan suara di air asin berangsur-angsur memudar akibat gesekan lingkungan perairan dan garam di dalamnya. Divergensi diwujudkan dalam jarak bunyi dari sumbernya. Tampaknya larut di ruang angkasa seperti cahaya, dan akibatnya intensitasnya turun secara signifikan. Dan osilasi tersebut hilang sama sekali karena dispersi oleh segala macam hambatan dan ketidakhomogenan di lingkungan.
Gelombang suara merambat melalui air laut sebagai getaran, atau gelombang tekanan. Ini adalah gelombang longitudinal mekanis. Dalam media elastis, seperti air laut, mereka menghasilkan kompresi dan penghalusan partikel secara berkala, akibatnya setiap partikel bergerak sejajar dengan arah rambat gelombang. Elastisitas suatu medium dicirikan oleh hambatan akustik gelombang, yang didefinisikan sebagai produk dari kepadatan medium dan kecepatan rambat gelombang suara. Rasio ini memungkinkan kita memperkirakan kekakuan medium, yang 3.500 kali lebih besar pada air laut daripada udara. Oleh karena itu, untuk menciptakan tekanan yang sama di air laut seperti di udara, dibutuhkan lebih sedikit energi.
Cepat rambat gelombang longitudinal elastik adalah cepat rambat bunyi. Di air laut, cepat rambat bunyi berkisar antara 1450 hingga 1540 m/s. Dengan frekuensi osilasi 16 hingga 20.000 Hz, mereka dapat ditangkap oleh telinga manusia. Getaran yang melebihi ambang batas pendengaran disebut USG", Sifat-sifat USG ditentukan oleh frekuensi tinggi dan panjang gelombang pendek. Getaran yang frekuensinya di bawah ambang batas pendengaran disebut suara infrasonik. Gelombang suara di lingkungan laut dibangkitkan oleh sumber alami dan buatan. Di antara yang pertama, peran penting dimainkan oleh gelombang laut, angin, akumulasi hewan laut dan pergerakannya, pergerakan air di zona divergensi dan konvergensi, gempa bumi, dll. Ledakan, pergerakan kapal, skala besar riset ilmiah profil yang sesuai, beberapa jenis kegiatan produksi manusia.
Gelombang suara di air laut merambat dengan kecepatan berbeda-beda. Hal ini bergantung pada banyak faktor, di antaranya yang terpenting adalah kedalaman (tekanan), suhu, salinitas, struktur internal kolom air, distribusi massa jenis yang tidak merata, gelembung gas, partikel tersuspensi, akumulasi organisme laut. Kecepatan rambat bunyi juga dipengaruhi oleh perubahan cepat keadaan permukaan laut, topografi dasar laut, dan komposisinya.
Beras. 72. Perubahan kecepatan suara tergantung suhu dan salinitas pada keadaan normal tekanan atmosfer (A) dan pada tekanan pada O°C dan salinitas
35%o ( B)(oleh 127|)
sedimen dasar. Faktor-faktor ini membentuk medan akustik yang tidak homogen, yang menimbulkan perbedaan arah rambat dan kecepatan gelombang suara. Pengaruh terbesar terhadap kecepatan rambat gelombang suara diberikan oleh tekanan, suhu dan salinitas air laut. Karakteristik ini menentukan koefisien kompresibilitas, dan fluktuasinya menyebabkan perubahan kecepatan rambat bunyi. Dengan meningkatnya suhu, volume spesifik air laut meningkat, dan koefisien kompresibilitas menurun, yang menyebabkan peningkatan kecepatan suara. DI DALAM perairan permukaan dengan peningkatan suhu dari Odo 5°, peningkatan kecepatan suara berubah sekitar 4,1 m/s, dari 5 menjadi 10° - sebesar 3,6 m/s, dan pada 30 °C - hanya 2,1 m/s.
Kecepatan suara meningkat seiring dengan peningkatan suhu, salinitas dan kedalaman (tekanan). Ketergantungan tersebut dinyatakan dengan perubahan linier pada nilai parameter ini (Gbr. 72). Telah ditetapkan bahwa peningkatan salinitas sebesar 1% s dan tekanan sebesar 100 dbar meningkatkan kecepatan suara masing-masing sekitar 1,2 dan 1,6 m/s. Dari meja 30 yang menyajikan data pengaruh suhu dan salinitas terhadap kecepatan rambat bunyi, maka dengan peningkatan salinitas pada suhu yang sama terjadi peningkatan kecepatan bunyi yang signifikan. Peningkatan ini terutama terlihat seiring dengan peningkatan suhu dan salinitas air laut.
Jika suhu air sedikit berubah seiring dengan kedalaman, seperti yang terjadi di Laut Merah dan Laut Weddell, maka kecepatan suara meningkat tanpa penurunan tajam dalam kisaran 700 hingga 1300 m di sebagian besar wilayah lain di Samudra Dunia , penurunan kecepatan suara yang signifikan diamati pada rentang kedalaman ini ( Gambar 73).
Tabel 30
Kecepatan rambat bunyi di air laut (m/s) tergantung salinitas dan suhu
(versi tabel yang disederhanakan. 1.41 1511)
Gradien perubahan cepat rambat bunyi pada kolom air tidak sama pada arah horizontal dan vertikal. Dalam arah horizontal ukurannya sekitar seribu kali lebih kecil daripada arah vertikal. Sebagaimana dicatat oleh L.M. Brekhovskikh dan Yu.P. Lysanov, pengecualiannya adalah area konvergensi arus hangat dan dingin, di mana gradien ini sebanding.
Karena suhu dan salinitas tidak bergantung pada kedalaman, gradien vertikal bernilai konstan. Pada kecepatan suara 1450 m/s sama dengan 0,1110 -4 m~".
Tekanan kolom air mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kecepatan rambat bunyi. Kecepatan suara meningkat seiring dengan kedalaman. Hal ini terlihat jelas dari tabel. 31, yang memberikan koreksi kecepatan suara hingga kedalaman.
Koreksi kecepatan bunyi untuk kedalaman lapisan permukaan air adalah 0,2 m/s, dan pada kedalaman 900 m adalah 15,1 m/s, yaitu. meningkat 75 kali lipat. Di lapisan kolom air yang lebih dalam
koreksi kecepatan suara menjadi jauh lebih kecil dan nilainya secara bertahap menurun seiring bertambahnya kedalaman, meskipun secara absolut nilainya signifikan
Beras. 73. Perubahan kecepatan suara terhadap kedalaman di beberapa wilayah Samudra Dunia (dalam ) melebihi koreksi kecepatan suara di lapisan permukaan. Misalnya pada kedalaman 5000 m 443 kali lebih besar dibandingkan pada lapisan permukaan.
Tabel 31
Koreksi kecepatan suara (m/s) hingga kedalaman
(versi tabel yang disederhanakan. 1.42 151 ])
|
Kedalaman, m |
Kedalaman, m |
|||||||||
Bunyi merambat 4,5 kali lebih cepat di air laut dibandingkan di udara. Kecepatan penyebarannya bergantung pada suhu, salinitas dan tekanan. Ketika salah satu faktor ini meningkat, kecepatan suara pun meningkat.
Bagaimana kecepatan suara diukur?
Hal ini dapat dihitung dengan mengetahui suhu, salinitas dan kedalaman - tiga karakteristik utama yang diukur di stasiun oseanografi. Selama bertahun-tahun metode ini adalah satu-satunya. DI DALAM beberapa tahun terakhir Kecepatan suara di air laut mulai diukur secara langsung. Pengukur kecepatan suara bekerja berdasarkan prinsip mengukur lamanya waktu di mana pulsa suara menempuh jarak tertentu.
Seberapa jauh bunyi dapat merambat di lautan?
Getaran suara yang dihasilkan oleh ledakan bawah air kapal penelitian Universitas Columbia Vema pada tahun 1960 tercatat pada jarak 12.000 mil. Muatan kedalaman diledakkan di saluran suara bawah air di lepas pantai Australia, dan setelah sekitar 144 menit getaran suara mencapai Bermuda, yang merupakan titik berlawanan di dunia.
Apa itu saluran audio?
Ini adalah zona di mana kecepatan suara pertama-tama berkurang seiring dengan kedalaman hingga minimum tertentu, dan kemudian meningkat seiring dengan meningkatnya tekanan. Gelombang suara yang tereksitasi di zona ini tidak dapat meninggalkannya, karena membengkok dan kembali ke sumbu saluran. Sekali berada dalam saluran tersebut, suara dapat menempuh jarak ribuan mil.
Apa itu SOFAR?
Ini adalah singkatan kata-kata bahasa Inggris“perbaikan dan jangkauan suara” (mendeteksi sumber suara dan mengukur jarak ke sumber tersebut). Sistem SOFAR menggunakan saluran suara pada kedalaman 600 - 1200 m. Dengan menggunakan observasi dari beberapa stasiun penerima, Anda dapat menentukan lokasi sumber suara pada saluran tersebut dengan akurasi 1 mil. Selama Perang Dunia II, sistem ini digunakan untuk menyelamatkan banyak pilot yang ditembak jatuh di laut. Pesawat mereka memiliki bom kecil yang meledak di bawah tekanan ketika mencapai kedalaman saluran suara.
Apa itu sonar?
Sonar bekerja dengan prinsip yang sama seperti radar, hanya saja ia menggunakan gelombang suara (akustik) dan bukan gelombang radio. Sonar bisa aktif atau pasif. Sistem aktif memancarkan getaran suara dan menerima sinyal pantulan, atau gema. Untuk menentukan jarak, Anda perlu mengambil setengah produk dari kecepatan suara dan waktu yang berlalu antara emisi pulsa suara dan penerimaan sinyal yang dipantulkan. Sistem pasif beroperasi dalam mode mendengarkan, dan dengan bantuannya Anda hanya dapat menentukan arah lokasi sumber suara. Sonar digunakan untuk mendeteksi kapal selam, menavigasi, mencari gerombolan ikan, dan menentukan kedalaman. Dalam kasus terakhir, sonar adalah alat pengeras suara gema konvensional.
Apa yang dimaksud dengan pembiasan dan pemantulan gelombang bunyi?
Akibat perbedaan massa jenis air laut, gelombang suara di lautan tidak merambat lurus. Arahnya bengkok karena perubahan kecepatan suara di air. Fenomena ini disebut pembiasan. Selain itu, energi suara dihamburkan oleh materi tersuspensi dan organisme laut, dipantulkan dan tersebar di permukaan dan dasar, dan akhirnya dilemahkan saat merambat melalui kolom air.
Apa penyebab terjadinya suara laut?
Kebisingan laut mencakup kebisingan ombak dan selancar, kebisingan akibat curah hujan, aktivitas seismik dan gunung berapi, dan terakhir, suara ikan dan lainnya. organisme laut. Kebisingan yang disebabkan oleh pergerakan kapal, pengoperasian mekanisme ekstraksi mineral, serta kebisingan yang timbul selama pekerjaan oseanografi bawah air dan permukaan, yang terjadi di luar platform dan peralatan pengukuran itu sendiri, juga dianggap sebagai kebisingan laut.
Gelombang, pasang surut, arus
Mengapa gelombang bisa terjadi?
Gelombang itu; yang biasa kita lihat di permukaan air terbentuk terutama di bawah pengaruh angin. Namun gelombang juga bisa disebabkan oleh sebab lain: gempa bumi bawah laut atau letusan gunung berapi bawah air. Pasang surut juga merupakan gelombang.
